В любой из больших библиотек мира комнаты и полки с книгами тянутся, кажется, бесконечно. Количество томов в Библиотеке конгресса США исчисляется десятками миллионов. В каждом из них представлены различные истории, детальные анализы, исторические документы – все со своим мнением. Но все эти миллионы книг, написанные по-английски, состоят всего лишь из нескольких десятков тысяч слов, а каждое слово состоит из комбинации всего 26 букв – от A до Z .

Тем временем все мы живём в окружении огромного и поразительного разнообразия материалов – включая и то, из чего создано множество типов биологических структур, входящих в состав наших тел и всех тел животных, растений и других живых существ. Планета, на которой мы обитаем, состоит из разного рода камней, некоторые из которых жёсткие и хрупкие, некоторые пластичные, обладающих различными цветами и текстурами. Кроме воды у нас есть алкоголь, кислоты, сахара и масла в различных видах. Готовящаяся в духовках еда выдаёт различные ароматы, которые мы вдыхаем из воздуха. К солям, мелу и сплавам нужно добавить синтетические материалы, включая разнообразные пластики. Но важно помнить, что огромные богатства Библиотеки материалов состоят из небольшого (хотя и довольно разнообразного) ассортимента молекул, которые, в свою очередь, состоят всего из сотни атомов – элементов от H до U и далее (от водорода до урана и далее).

Сложность такого письменного языка, как английский, зиждется на словах, а сложность материалов начинается с молекул. Точно так же инструкции по постройке огромного набора биологических форм можно закодировать в ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоте – а конкретно, в нитях её трёхмолекулярных слогов, составленных из четырёх простых молекул, нуклеобаз. Причина сложности зиждется на простом математическом факте – большое разнообразие комбинаций может возникнуть из небольшого числа ингредиентов. Одного ингредиента недостаточно. Из буквы «а» можно составить всего десять разных слов, длина которых не будет превышать десяти букв: «а», «аа», «ааа», и так далее. Но из 26 букв уже может получиться 26²

двухбуквенных слов, то есть 676, а десятибуквенных слов – и вовсе 141 167 095 653 376, гораздо больше, чем требуется для языка. Всего нескольких десятков тысяч слов, выбранных из множества миллионов или миллиардов потенциальных, достаточно для создания всей английской литературы. Те же принципы экспоненциального роста количества комбинаций позволяют нашему окружению формироваться из всего сотни разновидностей атомов, которые могут составляться в бесчисленное множество молекул, по размеру разнящихся от нескольких атомов до сотен и тысяч.

Начав со слов, или молекул, можно в исследовательских целях двигаться в двух направлениях. Можно попытаться понять, как сложные объекты собираются из их ингредиентов: что лежит за существованием отдельной книги или набора книг? Откуда взялся этот материал или класс материалов? Или же можно двигаться в другом направлении, определяя источник букв и атомов, основных строительных блоков.

Цель данной и последующих статей – ответ на второй вопрос, от молекул и вниз, до их истоков. Конечно, очень интересно изучать огромное разнообразие материалов, встречающихся в природе, коих так же много, как книг в Библиотеке Конгресса. Но, с другой стороны, происхождение молекул и атомы оказываются менее необъятной темой. Конечно, нельзя сказать, что ответ на эти вопросы простой и прямолинейный. Он вскрывает множество удивительных и неожиданных деталей атомной, ядерной физики и физики частиц (или высоких энергий). Как и в случае с источником букв алфавита, последствия нахождения ответа на этот вопрос оказываются больше и интереснее, чем это можно было бы представить изначально. Он ведёт к открытиям, не ограничивающимся простыми свойствами материалов. Он ведёт физику к пониманию света, Солнца и других звёзд, истории Земли, пространства и времени, и Вселенной, по которой путешествуют Земля и Солнце.

Но перед этим необходимо рассмотреть ещё пару вопросов. Откуда нам известно, что все материалы состоят из молекул? Исторически, ответ на этот вопрос получали посредством сложных логических цепочек и огромного разнообразия научных опытов. До недавнего времени о существовании молекул можно было только догадываться, не напрямую, но довольно убедительно говорить на основании хитрых научных анализов и химических экспериментов. Сегодня же можно дать более прямолинейный ответ – поскольку сегодня мы можем «увидеть» молекулы. Мы видим их через микроскопы, хотя и не такие классические их виды, которые можно поставить на стол и заглянуть в них через окуляры. Это атомно-силовые микроскопы, и их способ рассматривания больше напоминает чтение шрифта Брайля; но свою задачу они выполняют. Они позволяют учёным делать фотографии материалов, детально разглядывать их структуру, подтверждая предыдущие предсказания, сделанные на её счёт. Они даже позволили разрешить предыдущие загадки конкретных молекул. Новые методы позволяют напрямую проверить все непрямые аргументы. Не то, чтобы мы сомневались на их счёт, поскольку они так часто успешно применялись в предсказаниях результатов химических реакций и в разработке и создании новых материалов! И, тем не менее, приятно знать, что эта дискуссия не абстрактна: молекулы и вправду существуют, и с помощью современных технологий мы можем обнаружить их напрямую.

В следующей статье мы рассмотрим атомы, то, из чего они состоят, и как из них получаются молекулы.